物质结构基础课件

第二章第二章 物质结构基础物质结构基础概概概概 述述述述 世界上种类繁多、琳琅满目的物质，呈现出不同的性质，世界上种类繁多、琳琅满目的物质，呈现出不同的性质，世界上种类繁多、琳琅满目的物质，呈现出不同的性质，世界上种类繁多、琳琅满目的物质，呈现出不同的性质，为什么？因为微观结构的差异，结构决定性质！为什么？因为微观结构的差异，结构决定性质！为什么？因为微观结构的差异，结构决定性质！为什么？因为微观结构的差异，结构决定性质！为深入了解物质的组成、掌握结构和性质变化规律、驾驭为深入了解物质的组成、掌握结构和性质变化规律、驾驭为深入了解物质的组成、掌握结构和性质变化规律、驾驭为深入了解物质的组成、掌握结构和性质变化规律、驾驭化学反应，必须研究物质微观结构。化学化学反应，必须研究物质微观结构。化学化学反应，必须研究物质微观结构。化学化学反应，必须研究物质微观结构。化学是研究物质的组成、是研究物质的组成、是研究物质的组成、是研究物质的组成、结构、性质及化学变化的规律的科学。结构、性质及化学变化的规律的科学。结构、性质及化学变化的规律的科学。结构、性质及化学变化的规律的科学。2.1 2.1 物质的状态物质的状态物质的状态物质的状态 Three states of substancThree states of substance e：solidsolid，liquidliquid，and gasand gas。为什么要介绍？描述物质的性质与状态之间的关系。为什么要介绍？描述物质的性质与状态之间的关系。为什么要介绍？描述物质的性质与状态之间的关系。为什么要介绍？描述物质的性质与状态之间的关系。描述物质的多少描述物质的多少描述物质的多少描述物质的多少(浓度浓度浓度浓度)。例如：实际气体与理想气体更接近的条件是例如：实际气体与理想气体更接近的条件是例如：实际气体与理想气体更接近的条件是例如：实际气体与理想气体更接近的条件是(?)(?)。A A.高温高压；高温高压；高温高压；高温高压；B B.低温高压；低温高压；低温高压；低温高压；C C.高温低压；高温低压；高温低压；高温低压；D D.低温低压。低温低压。低温低压。低温低压。1)1)Ideal gas and real gasIdeal gas and real gas1.1.气体气体气体气体2)2)Equation of state of ideal gasEquation of state of ideal gas描述理想气体存在的量之间的关系的方程式：描述理想气体存在的量之间的关系的方程式：描述理想气体存在的量之间的关系的方程式：描述理想气体存在的量之间的关系的方程式：pVpV=nRTnRT p p (PascalesPascales,Pa Pa)-pressure-pressure；V V (meter cubemeter cube,m m3 3)-volume-volume;n n (molesmoles)-the number of moles-the number of moles；R R(mole gas constantmole gas constant)-8.3148.314 kPa kPa mm3 3 molmol-1-1 K K-1-1；T T (KelvinKelvin)-temperature-temperature。简化形式简化形式简化形式简化形式a.at constant n and Ta.at constant n and T(Boyles law)Boyles law)：p p1 1V V1 1=p p2 2V V2 2 b.at constant n and pb.at constant n and p(CharleCharles-Gay s-Gay LussacLussacs laws law)：V V1 1/T T1 1=V V2 2/T T2 2c.at constant p and Tc.at constant p and T(Avogadros lawAvogadros law)：V V1 1/n n1 1=V V2 2/n n2 2BoyleBoyleCharleCharles sGay Gay LussacLussacAvogadroAvogadro方程式的其他形式方程式的其他形式方程式的其他形式方程式的其他形式 ：pVpV =(mm /MM)RTRT ，pMpM=RTRT应用：求未知量，为生产服务。应用：求未知量，为生产服务。应用：求未知量，为生产服务。应用：求未知量，为生产服务。n n一定时，一定时，一定时，一定时，p p1 1V V1 1/T T1 1=p p2 2V V2 2/T T2 2；n n变化时，变化时，变化时，变化时，pVpV =nRTnRT。例例例例:实验测得实验测得实验测得实验测得310310，11011101kPakPa下单质气态磷密度下单质气态磷密度下单质气态磷密度下单质气态磷密度2.642.64gdmgdm-3-3，磷磷磷磷 的分子式是什么？的分子式是什么？的分子式是什么？的分子式是什么？解：解：解：解：pMpM=RT M=RT M=RT/p=RT/p=127.1127.1gmolgmol-1-1,则磷分子中的原子数则磷分子中的原子数则磷分子中的原子数则磷分子中的原子数 =127/31=4=127/31=4，气态磷的分子式为气态磷的分子式为气态磷的分子式为气态磷的分子式为P P4 4。n=nn=n1 1+n+n2 2+，T=TT=T1 1=T=T2 2=，V=VV=V1 1=V=V2 2=，p=pp=p1 1+p+p2 2+。DaltonDalton3)3)Daltons law of partial pressureDaltons law of partial pressureDaltons law of partial volumeDaltons law of partial volumen=nn=n1 1+n+n2 2+，T T1 1=T=T2 2=T T，p p1 1=p=p2 2=p p，V=VV=V1 1+V+V2 2+。2.2.All the oxygen in All the oxygen in 450450g KClOg KClO3 3 can be converted to Ocan be converted to O2 2 by heating in by heating in the presence of a catalyst.If the oxygen were collected over water at the presence of a catalyst.If the oxygen were collected over water at 2020 and and 100100kPakPa,what would be the volume of gas collected?what would be the volume of gas collected?1.1.A gaseous compound is composed of A gaseous compound is composed of 85.7%85.7%by mass carbon and by mass carbon and 14.3%14.3%by mass hydrogen.Its density is by mass hydrogen.Its density is 2.282.28g g/L atL at 300 300K and K and 101101kPa.kPa.Determine the molecular formula of the compound.Determine the molecular formula of the compound.4)4)Equation of state of Equation of state of real gasreal gas p p+-(+-(V V-nbnb)=nRTnRTa a(V V/n n)2 2V Vrealreal V Videalideal，p preal real p pidealideal a a、b b：van van derder Waals constant Waals constant.3.3.固体固体固体固体(见第四章见第四章见第四章见第四章)2.2.液体液体液体液体(见第四章见第四章见第四章见第四章)4.4.等离子体等离子体等离子体等离子体 在高温、电磁场、放电、高能磁场、热核反应等作用下，在高温、电磁场、放电、高能磁场、热核反应等作用下，在高温、电磁场、放电、高能磁场、热核反应等作用下，在高温、电磁场、放电、高能磁场、热核反应等作用下，气态原子部分电离成离子和自由电子，形成净电荷数为零、由气态原子部分电离成离子和自由电子，形成净电荷数为零、由气态原子部分电离成离子和自由电子，形成净电荷数为零、由气态原子部分电离成离子和自由电子，形成净电荷数为零、由自由电子、原子和离子组成的、密度小、能导电的聚集体。等自由电子、原子和离子组成的、密度小、能导电的聚集体。等自由电子、原子和离子组成的、密度小、能导电的聚集体。等自由电子、原子和离子组成的、密度小、能导电的聚集体。等离子体富集了离子、电子激发态的原子、分子和自由基，具有离子体富集了离子、电子激发态的原子、分子和自由基，具有离子体富集了离子、电子激发态的原子、分子和自由基，具有离子体富集了离子、电子激发态的原子、分子和自由基，具有较高的化学活性，利于发生高能量、高密度的化学反应。较高的化学活性，利于发生高能量、高密度的化学反应。较高的化学活性，利于发生高能量、高密度的化学反应。较高的化学活性，利于发生高能量、高密度的化学反应。5.5.中子态中子态中子态中子态 金属态物质在高压或超高压下，核外电子被压缩进入原子金属态物质在高压或超高压下，核外电子被压缩进入原子金属态物质在高压或超高压下，核外电子被压缩进入原子金属态物质在高压或超高压下，核外电子被压缩进入原子核，电子与质子结合成中子，形成中子态。核，电子与质子结合成中子，形成中子态。核，电子与质子结合成中子，形成中子态。核，电子与质子结合成中子，形成中子态。密度极大密度极大密度极大密度极大。6.6.液晶液晶液晶液晶 某些物质在由各向异性的晶态溶化转变为各向同性的液体过某些物质在由各向异性的晶态溶化转变为各向同性的液体过某些物质在由各向异性的晶态溶化转变为各向同性的液体过某些物质在由各向异性的晶态溶化转变为各向同性的液体过程中经历的各向异性的液体状态。程中经历的各向异性的液体状态。程中经历的各向异性的液体状态。程中经历的各向异性的液体状态。特殊的电、磁、光特性特殊的电、磁、光特性特殊的电、磁、光特性特殊的电、磁、光特性。通常讲，物质由分子组成，分子由原子组成。所以，研究物通常讲，物质由分子组成，分子由原子组成。所以，研究物通常讲，物质由分子组成，分子由原子组成。所以，研究物通常讲，物质由分子组成，分子由原子组成。所以，研究物质的性质以及物质之间的化学变化质的性质以及物质之间的化学变化质的性质以及物质之间的化学变化质的性质以及物质之间的化学变化(化学反应化学反应化学反应化学反应)就必须从研究原就必须从研究原就必须从研究原就必须从研究原子本身的结构开始；另外，在物质的化学变化过程子本身的结构开始；另外，在物质的化学变化过程子本身的结构开始；另外，在物质的化学变化过程子本身的结构开始；另外，在物质的化学变化过程(化学反应化学反应化学反应化学反应)中。中。中。中。原子核并不发生改变原子核并不发生改变原子核并不发生改变原子核并不发生改变(核反应除外核反应除外核反应除外核反应除外)，只是核外电子运动状态发生，只是核外电子运动状态发生，只是核外电子运动状态发生，只是核外电子运动状态发生了变化。所以研究原子的结构应主要研究其核外电子的运动。了变化。所以研究原子的结构应主要研究其核外电子的运动。了变化。所以研究原子的结构应主要研究其核外电子的运动。了变化。所以研究原子的结构应主要研究其核外电子的运动。为什么要研究原子的结构为什么要研究原子的结构为什么要研究原子的结构为什么要研究原子的结构？世界上种类繁多、琳琅满目的物？世界上种类繁多、琳琅满目的物？世界上种类繁多、琳琅满目的物？世界上种类繁多、琳琅满目的物质，都是由为数不多的基本元素组成的。质，都是由为数不多的基本元素组成的。质，都是由为数不多的基本元素组成的。质，都是由为数不多的基本元素组成的。112112种元素种元素种元素种元素(尚未命名尚未命名尚未命名尚未命名110110UunUun、111111UuuUuu、112112UnbUnb)()(现已发现第现已发现第现已发现第现已发现第113113号号号号)。其中惰性元素。其中惰性元素。其中惰性元素。其中惰性元素6 6个；非金属元素个；非金属元素个；非金属元素个；非金属元素1616个；金属元素个；金属元素个；金属元素个；金属元素9090个。大个。大个。大个。大部分处于周期表的副族，称为过渡元素。部分处于周期表的副族，称为过渡元素。部分处于周期表的副族，称为过渡元素。部分处于周期表的副族，称为过渡元素。2.2 2.2 原子结构和元素周期律原子结构和元素周期律原子结构和元素周期律原子结构和元素周期律 宏观物体的运动特征：宏观物体的运动特征：宏观物体的运动特征：宏观物体的运动特征：可描绘出它们的运动轨迹，可以确可描绘出它们的运动轨迹，可以确可描绘出它们的运动轨迹，可以确可描绘出它们的运动轨迹，可以确定它们某一时刻的位置和速度。定它们某一时刻的位置和速度。定它们某一时刻的位置和速度。定它们某一时刻的位置和速度。核电荷数质子数核外电子数，核电荷数质子数核外电子数，核电荷数质子数核外电子数，核电荷数质子数核外电子数，原子直径：约原子直径：约原子直径：约原子直径：约1010-10-10m m。electronelectronnuclearnuclear 原子核及核外电子的模型原子核及核外电子的模型原子核及核外电子的模型原子核及核外电子的模型质子质子质子质子(+)(+)中子中子中子中子原子核原子核原子核原子核(+)核外电子核外电子核外电子核外电子(-)原子原子原子原子 微观粒子的运动特征：微观粒子的运动特征：微观粒子的运动特征：微观粒子的运动特征：经历了经历了经历了经历了从经典到现代的从经典到现代的从经典到现代的从经典到现代的不断认识的不断认识的不断认识的不断认识的过程。认识水平过程。认识水平过程。认识水平过程。认识水平与当时理论科学的发展程度是密切相关的。与当时理论科学的发展程度是密切相关的。与当时理论科学的发展程度是密切相关的。与当时理论科学的发展程度是密切相关的。1.1.原子的基本结构原子的基本结构原子的基本结构原子的基本结构1)1)原子结构理论的发展原子结构理论的发展原子结构理论的发展原子结构理论的发展John Daltons John Daltons 原子模型原子模型原子模型原子模型 (1808)(1808)J.J.Thomsons J.J.Thomsons 原子模型原子模型原子模型原子模型 (1898)(1898)E E.Rutherfords Rutherfords 原子模型原子模型原子模型原子模型 (1911)(1911)Bohrs Bohrs 原子模型原子模型原子模型原子模型 (1923)(1923)原子波动力学模型原子波动力学模型原子波动力学模型原子波动力学模型(1926)(1926)+-Evolution of the model of the atomEvolution of the model of the atom 18081808年，英国中学教师道尔顿明年，英国中学教师道尔顿明年，英国中学教师道尔顿明年，英国中学教师道尔顿明确地提出了原子论，理论要点是：每确地提出了原子论，理论要点是：每确地提出了原子论，理论要点是：每确地提出了原子论，理论要点是：每一种化学元素有一种原子；同种原子一种化学元素有一种原子；同种原子一种化学元素有一种原子；同种原子一种化学元素有一种原子；同种原子质量相同，不同种原子质量不同；原质量相同，不同种原子质量不同；原质量相同，不同种原子质量不同；原质量相同，不同种原子质量不同；原子不可再分；一种原子不会转变为另子不可再分；一种原子不会转变为另子不可再分；一种原子不会转变为另子不可再分；一种原子不会转变为另一种原子；化学反应只是改变了原子一种原子；化学反应只是改变了原子一种原子；化学反应只是改变了原子一种原子；化学反应只是改变了原子的结合方式。使反应前的物质变成反的结合方式。使反应前的物质变成反的结合方式。使反应前的物质变成反的结合方式。使反应前的物质变成反应后的物质。应后的物质。应后的物质。应后的物质。道尔顿认为道尔顿认为道尔顿认为道尔顿认为原子是一个原子是一个原子是一个原子是一个实心球体，不可再分实心球体，不可再分实心球体，不可再分实心球体，不可再分。John DaltonJohn DaltonJohn Daltons John Daltons 原子模型原子模型原子模型原子模型 (1808)(1808)J.DaltonJ.Dalton的原子学说的原子学说的原子学说的原子学说 道尔顿用来表示原子的符号，是最早的元素符号。他给出道尔顿用来表示原子的符号，是最早的元素符号。他给出道尔顿用来表示原子的符号，是最早的元素符号。他给出道尔顿用来表示原子的符号，是最早的元素符号。他给出的许多分子组成是错误的许多分子组成是错误的许多分子组成是错误的许多分子组成是错误的。这给人以历史的教的。这给人以历史的教的。这给人以历史的教的。这给人以历史的教训要揭示科学的真理训要揭示科学的真理训要揭示科学的真理训要揭示科学的真理不能光凭想象，客观世不能光凭想象，客观世不能光凭想象，客观世不能光凭想象，客观世界的复杂性不会因为人界的复杂性不会因为人界的复杂性不会因为人界的复杂性不会因为人类或某个人主观意念的类或某个人主观意念的类或某个人主观意念的类或某个人主观意念的简单化而改变。简单化而改变。简单化而改变。简单化而改变。道尔顿原子论极大地道尔顿原子论极大地道尔顿原子论极大地道尔顿原子论极大地推动了化学的发展推动了化学的发展推动了化学的发展推动了化学的发展。氢氢氢氢氧氧氧氧氮氮氮氮碳碳碳碳磷磷磷磷硫硫硫硫钾钾钾钾钡钡钡钡水水水水一氧化氮一氧化氮一氧化氮一氧化氮二氧化硫二氧化硫二氧化硫二氧化硫氢氧化钾氢氧化钾氢氧化钾氢氧化钾碳酸钡碳酸钡碳酸钡碳酸钡甲烷甲烷甲烷甲烷J.J.ThomsonJ.J.Thomson(1856-1945)(1856-1945)的原子的原子的原子的原子“浸入模型浸入模型浸入模型浸入模型”18951895年年年年1111月月月月8 8日，德国的伦琴发现了奇异的日，德国的伦琴发现了奇异的日，德国的伦琴发现了奇异的日，德国的伦琴发现了奇异的 X X 射线，后来射线，后来射线，后来射线，后来居里夫妇等对天然放射性的研究，以及居里夫妇等对天然放射性的研究，以及居里夫妇等对天然放射性的研究，以及居里夫妇等对天然放射性的研究，以及18971897年汤姆逊证明了射年汤姆逊证明了射年汤姆逊证明了射年汤姆逊证明了射线是一种带负电的微粒。表明线是一种带负电的微粒。表明线是一种带负电的微粒。表明线是一种带负电的微粒。表明任何物质的原子都可放出带负电任何物质的原子都可放出带负电任何物质的原子都可放出带负电任何物质的原子都可放出带负电荷的电子荷的电子荷的电子荷的电子。由于整个原子是电中性的，因此，原子内部一定带。由于整个原子是电中性的，因此，原子内部一定带。由于整个原子是电中性的，因此，原子内部一定带。由于整个原子是电中性的，因此，原子内部一定带等量电荷的正电微粒。那么，这些电荷是如何分布的？等量电荷的正电微粒。那么，这些电荷是如何分布的？等量电荷的正电微粒。那么，这些电荷是如何分布的？等量电荷的正电微粒。那么，这些电荷是如何分布的？伦琴伦琴伦琴伦琴居里夫妇居里夫妇居里夫妇居里夫妇J.J.ThomsonJ.J.ThomsonJ.J.Thomsons J.J.Thomsons 原子模型原子模型原子模型原子模型 (1898)(1898)18981898年，威廉年，威廉年，威廉年，威廉 汤姆逊认为汤姆逊认为汤姆逊认为汤姆逊认为原子是由带正电荷的球体及沉浸原子是由带正电荷的球体及沉浸原子是由带正电荷的球体及沉浸原子是由带正电荷的球体及沉浸在这个正电荷球体里的电子所组成。电子均匀分布在原子内，能在这个正电荷球体里的电子所组成。电子均匀分布在原子内，能在这个正电荷球体里的电子所组成。电子均匀分布在原子内，能在这个正电荷球体里的电子所组成。电子均匀分布在原子内，能自由地运动，并受到一个指向原子中心的电力作用。自由地运动，并受到一个指向原子中心的电力作用。自由地运动，并受到一个指向原子中心的电力作用。自由地运动，并受到一个指向原子中心的电力作用。19041904年，在年，在年，在年，在WW.汤姆逊模型的基础上，汤姆逊模型的基础上，汤姆逊模型的基础上，汤姆逊模型的基础上，J J.J J.汤姆逊认为正电球中的电子是分布汤姆逊认为正电球中的电子是分布汤姆逊认为正电球中的电子是分布汤姆逊认为正电球中的电子是分布在一些同心球或同心球壳上，该模型俗称为在一些同心球或同心球壳上，该模型俗称为在一些同心球或同心球壳上，该模型俗称为在一些同心球或同心球壳上，该模型俗称为“葡萄干面包葡萄干面包葡萄干面包葡萄干面包”模型。模型。模型。模型。+-E E.RutherfordRutherford(1871-1937)(1871-1937)的原子的原子的原子的原子“含核模型含核模型含核模型含核模型”J.J.ThomsonJ.J.Thomson 的学生、英籍新西兰物理学家卢瑟福用的学生、英籍新西兰物理学家卢瑟福用的学生、英籍新西兰物理学家卢瑟福用的学生、英籍新西兰物理学家卢瑟福用 粒粒粒粒子子子子(HeHe2+2+)轰击金箔，发现粒子绝大多数不会发生偏转，极少数轰击金箔，发现粒子绝大多数不会发生偏转，极少数轰击金箔，发现粒子绝大多数不会发生偏转，极少数轰击金箔，发现粒子绝大多数不会发生偏转，极少数被折射或被反弹回来。说明了被折射或被反弹回来。说明了被折射或被反弹回来。说明了被折射或被反弹回来。说明了原子中存在一个几乎集中了全部原子中存在一个几乎集中了全部原子中存在一个几乎集中了全部原子中存在一个几乎集中了全部原子质量、而大小仅为原子大小万分之一的带正电荷微粒，即原子质量、而大小仅为原子大小万分之一的带正电荷微粒，即原子质量、而大小仅为原子大小万分之一的带正电荷微粒，即原子质量、而大小仅为原子大小万分之一的带正电荷微粒，即原子核原子核原子核原子核。卢瑟福的原子卢瑟福的原子卢瑟福的原子卢瑟福的原子 “含核式模型含核式模型含核式模型含核式模型”(1911(1911年年年年)：每个原子中心有：每个原子中心有：每个原子中心有：每个原子中心有一个带正电荷的体积很小的原子核，核外为电子所环绕；原子一个带正电荷的体积很小的原子核，核外为电子所环绕；原子一个带正电荷的体积很小的原子核，核外为电子所环绕；原子一个带正电荷的体积很小的原子核，核外为电子所环绕；原子核所带的正电荷等于核外电子所带的负电荷数；整个原子呈电核所带的正电荷等于核外电子所带的负电荷数；整个原子呈电核所带的正电荷等于核外电子所带的负电荷数；整个原子呈电核所带的正电荷等于核外电子所带的负电荷数；整个原子呈电中性，原子的质量几乎全部集中在原子核上。中性，原子的质量几乎全部集中在原子核上。中性，原子的质量几乎全部集中在原子核上。中性，原子的质量几乎全部集中在原子核上。到此为止，在总结前人认识的基础上，到此为止，在总结前人认识的基础上，到此为止，在总结前人认识的基础上，到此为止，在总结前人认识的基础上，结合当时的最新发现，由卢瑟福提出的原子结合当时的最新发现，由卢瑟福提出的原子结合当时的最新发现，由卢瑟福提出的原子结合当时的最新发现，由卢瑟福提出的原子模型应该是很完善的。该模型模型应该是很完善的。该模型模型应该是很完善的。该模型模型应该是很完善的。该模型建立在建立在建立在建立在NewtonNewton经典力学理论基础上。根据该理论，电子在经典力学理论基础上。根据该理论，电子在经典力学理论基础上。根据该理论，电子在经典力学理论基础上。根据该理论，电子在运动速度改变时，要发射电磁波，能量降低。运动速度改变时，要发射电磁波，能量降低。运动速度改变时，要发射电磁波，能量降低。运动速度改变时，要发射电磁波，能量降低。结果是：结果是：结果是：结果是：(1)(1)发射光谱连续；发射光谱连续；发射光谱连续；发射光谱连续；(2)(2)原子煙灭。原子煙灭。原子煙灭。原子煙灭。NewtonNewtonE E.RutherfordRutherfordE E.Rutherfords Rutherfords 原子模型原子模型原子模型原子模型 (1911)(1911)continuous spectrumcontinuous spectrum实际情况如何呢？实际情况如何呢？实际情况如何呢？实际情况如何呢？continuous spectrumcontinuous spectrum2)2)The emission spectrum of the hydrogen atom and Bohr theoryThe emission spectrum of the hydrogen atom and Bohr theoryspectral lines of atomic hydrogen-spectral lines of atomic hydrogen-line spectrumline spectrum+-HH2 2 gasgasEM radiationEM radiationline spectra line spectra 656.3656.3 nm nm486.1486.1 nm nm434.0434.0 nm nm410.2410.2 nm nmprismprism高压放电管高压放电管高压放电管高压放电管 氢原子没有煙灭及发射不连续光谱的事实，说明原子结构氢原子没有煙灭及发射不连续光谱的事实，说明原子结构氢原子没有煙灭及发射不连续光谱的事实，说明原子结构氢原子没有煙灭及发射不连续光谱的事实，说明原子结构经典模型错误。经典模型错误。经典模型错误。经典模型错误。氢、氦、锂、钠、钡、汞、氖的发射光谱氢、氦、锂、钠、钡、汞、氖的发射光谱氢、氦、锂、钠、钡、汞、氖的发射光谱氢、氦、锂、钠、钡、汞、氖的发射光谱(从上到下从上到下从上到下从上到下)氢原子光谱特点：不连续的线状光谱；谱线氢原子光谱特点：不连续的线状光谱；谱线氢原子光谱特点：不连续的线状光谱；谱线氢原子光谱特点：不连续的线状光谱；谱线波长分布服从波长分布服从波长分布服从波长分布服从BalmerBalmer公式公式公式公式：-=R-=R(-)(-)2 22 21 1n n2 21 11 1 式中，式中，式中，式中，-波长，波长，波长，波长，(mm)，n n-大于大于大于大于2 2的正整数。的正整数。的正整数。的正整数。R R-RydbergRydberg常数常数常数常数，1.097373 1.097373 10107 7mm-1-1，n n=3=3，HH 谱线，谱线，谱线，谱线，n n=4=4，HH 谱线，谱线，谱线，谱线，n n=5=5，HH 谱线，谱线，谱线，谱线，n n=6=6，HH 谱线。谱线。谱线。谱线。后后后后又在又在又在又在紫外和红外区发现氢光谱的其他谱线，波长服从紫外和红外区发现氢光谱的其他谱线，波长服从紫外和红外区发现氢光谱的其他谱线，波长服从紫外和红外区发现氢光谱的其他谱线，波长服从RydbergRydberg公式：公式：公式：公式：-=R-=R(-)(-)n n1 12 21 1n n2 22 21 11 1 n n1 1、n n2 2 ：为正整数，且为正整数，且为正整数，且为正整数，且n n1 1 n n2 2，n n1 1=1=1：紫外光谱区紫外光谱区紫外光谱区紫外光谱区(LymanLyman系系系系)，n n1 1=2=2：可见光谱区可见光谱区可见光谱区可见光谱区(BalmerBalmer系系系系)，n n1 1=3=3：红外光谱区红外光谱区红外光谱区红外光谱区(PaschenPaschen系系系系)，n n1 1=4=4：红外光谱区红外光谱区红外光谱区红外光谱区(BrachetBrachet系系系系)，n n1 1=5=5：红外光谱区红外光谱区红外光谱区红外光谱区(PfundPfund系系系系)。E E0 0252518189 91 1B B-B-B-B-B-B-B0 0-B-Bn n=1=1n n=2=2n n=3=3n n=4=4n n=5=5n n=6=6n n=8=8n n=7=7基态基态基态基态赖曼系赖曼系赖曼系赖曼系巴尔麦系巴尔麦系巴尔麦系巴尔麦系派兴系派兴系派兴系派兴系布拉开特系布拉开特系布拉开特系布拉开特系方德系方德系方德系方德系 1900 1900年，普朗年，普朗年，普朗年，普朗克克克克研究黑体辐射时，研究黑体辐射时，研究黑体辐射时，研究黑体辐射时，提出了辐射定律提出了辐射定律提出了辐射定律提出了辐射定律(普朗普朗普朗普朗克克克克量子论量子论量子论量子论)：物质得失：物质得失：物质得失：物质得失能量具有量子化的特征，只能按某常数的整能量具有量子化的特征，只能按某常数的整能量具有量子化的特征，只能按某常数的整能量具有量子化的特征，只能按某常数的整数倍吸收或发射能量。数倍吸收或发射能量。数倍吸收或发射能量。数倍吸收或发射能量。即：即：即：即：E E=n n h h 。h h：普朗克常数普朗克常数普朗克常数普朗克常数，：光的频率，光的频率，光的频率，光的频率，n n：正整数。正整数。正整数。正整数。PlanckPlancks quantum theoryEinsteins photoelectric theoryEinsteins photoelectric theoryEinsteinEinstein Einstein Einstein 根据量子化概念，提出了光子根据量子化概念，提出了光子根据量子化概念，提出了光子根据量子化概念，提出了光子学说，认为光是一种波。学说，认为光是一种波。学说，认为光是一种波。学说，认为光是一种波。光子能量：光子能量：光子能量：光子能量：E E=h h；h h光子动量：光子动量：光子动量：光子动量：P P=-。波动性物理量：波动性物理量：波动性物理量：波动性物理量：和和和和 粒子性物理量：粒子性物理量：粒子性物理量：粒子性物理量：E E和和和和P PBohr Bohr t theoryheory o of f t the he h hydrogenydrogen a atom tom(p principlesrinciples&l limitations)imitations)19131913年，丹麦物理学家年，丹麦物理学家年，丹麦物理学家年，丹麦物理学家N.BohrN.Bohr提出提出提出提出“行星式模型行星式模型行星式模型行星式模型”。Plancks quantum theoryPlancks quantum theory，Einsteins photoelectric theoryEinsteins photoelectric theory，Rutherfords atomic model.Rutherfords atomic model.Bohrs Bohrs 原子模型原子模型原子模型原子模型 (1913)(1913)FromFromBohrBohrThe essence of Bohr theoryThe essence of Bohr theory:a a.核外电子运动的轨道角动量核外电子运动的轨道角动量核外电子运动的轨道角动量核外电子运动的轨道角动量(MM)量子化量子化量子化量子化(而不是连续变化而不是连续变化而不是连续变化而不是连续变化)：M M=nhnh/2/2 (n n=1,2,3,4)=1,2,3,4)，符合量子条件的符合量子条件的符合量子条件的符合量子条件的“轨道轨道轨道轨道”(orbitorbit)为为为为“稳定轨道稳定轨道稳定轨道稳定轨道”。电子在稳定轨道运动时，不吸收、不幅射光。电子在稳定轨道运动时，不吸收、不幅射光。电子在稳定轨道运动时，不吸收、不幅射光。电子在稳定轨道运动时，不吸收、不幅射光子。子。子。子。E E=-2.178=-2.178 10 10-18-18 -J -JZ Zn n2 2b b.在一定轨道上运动的电子的能量也是量子化的：在一定轨道上运动的电子的能量也是量子化的：在一定轨道上运动的电子的能量也是量子化的：在一定轨道上运动的电子的能量也是量子化的：n n=1,2,3,4 =1,2,3,4；Z Z：核电荷数核电荷数核电荷数核电荷数(质子数质子数质子数质子数)。原子在正常或稳定状态时，电子尽可能处于能量最低的状原子在正常或稳定状态时，电子尽可能处于能量最低的状原子在正常或稳定状态时，电子尽可能处于能量最低的状原子在正常或稳定状态时，电子尽可能处于能量最低的状态态态态-基态基态基态基态(ground stateground state)。对对对对H H 原子原子原子原子，电子在电子在电子在电子在n n=1=1的轨道的轨道的轨道的轨道(基态基态基态基态)上上上上运动时能量最低，运动时能量最低，运动时能量最低，运动时能量最低，E=E=-2.178-2.178 1010-18-18J J；相应的轨道半径为：相应的轨道半径为：相应的轨道半径为：相应的轨道半径为：r r=52.9=52.9 pmpm=a a0 0(玻尔半径玻尔半径玻尔半径玻尔半径)。c c.电子在不同轨道之间跃迁电子在不同轨道之间跃迁电子在不同轨道之间跃迁电子在不同轨道之间跃迁(transitiontransition)时，会吸收或幅射时，会吸收或幅射时，会吸收或幅射时，会吸收或幅射光子，其能量取决于跃迁前后两轨道的能量差：光子，其能量取决于跃迁前后两轨道的能量差：光子，其能量取决于跃迁前后两轨道的能量差：光子，其能量取决于跃迁前后两轨道的能量差：E=EE=E2 2-E-E1 1 =h=h-=h=h-c c 真空中光速真空中光速真空中光速真空中光速 c c=2.998=2.998 10108 8m.sm.s-1-1，HH原子原子原子原子Z Z=1=1，光谱频率光谱频率光谱频率光谱频率 为为为为：-=R-=R(-)(-)n n1 12 21 1n n2 22 21 1 1 1n n=1=1n n=3=3n n=2=2n n=2=2n n=1=1n n=3=3n n=4=4-13.6-13.6eVeV0 0energyenergygreater distancegreater distanceform nucleusform nucleus玻尔理论成功地解释了氢原子结构和氢原子光谱。玻尔理论成功地解释了氢原子结构和氢原子光谱。玻尔理论成功地解释了氢原子结构和氢原子光谱。玻尔理论成功地解释了氢原子结构和氢原子光谱。玻尔理论的玻尔理论的玻尔理论的玻尔理论的局限性：局限性：局限性：局限性：a a.只限于解释氢原子或类氢离子只限于解释氢原子或类氢离子只限于解释氢原子或类氢离子只限于解释氢原子或类氢离子(单电单电单电单电子体系子体系子体系子体系)光谱，不能解释多电子原子的光谱；光谱，不能解释多电子原子的光谱；光谱，不能解释多电子原子的光谱；光谱，不能解释多电子原子的光谱；b b.人为地允许某些人为地允许某些人为地允许某些人为地允许某些物理量物理量物理量物理量(电子运动的轨道角动量和电子能量电子运动的轨道角动量和电子能量电子运动的轨道角动量和电子能量电子运动的轨道角动量和电子能量)“)“量子化量子化量子化量子化”，以修，以修，以修，以修正经典力学正经典力学正经典力学正经典力学(牛顿力学牛顿力学牛顿力学牛顿力学)。3)3)原子的量力学模型原子的量力学模型原子的量力学模型原子的量力学模型dede BrogliesBroglies wave-particle dual nature of particles wave-particle dual nature of particles 19241924，dede BroglieBroglie：“整个世纪以来，在光学上，比起波动整个世纪以来，在光学上，比起波动整个世纪以来，在光学上，比起波动整个世纪以来，在光学上，比起波动的研究方法，是过分忽略了粒子的研究方法；在实物理论上，的研究方法，是过分忽略了粒子的研究方法；在实物理论上，的研究方法，是过分忽略了粒子的研究方法；在实物理论上，的研究方法，是过分忽略了粒子的研究方法；在实物理论上，是否发生了相反的错误呢？我们是不是把粒子图象想得太多，是否发生了相反的错误呢？我们是不是把粒子图象想得太多，是否发生了相反的错误呢？我们是不是把粒子图象想得太多，是否发生了相反的错误呢？我们是不是把粒子图象想得太多，而过分地忽略了波的图象？而过分地忽略了波的图象？而过分地忽略了波的图象？而过分地忽略了波的图象？”a.Thea.The wave-particlewave-particle dualdual nature ofnature of by light by light Einstein photoelectricEinstein photoelectrictheory,interference,diffraction,and photoelectric effect of theory,interference,diffraction,and photoelectric effect of photonphoton.E=hE=h =mc=mc2 2，p=mc=E/c=p=mc=E/c=h h /c=hc=h/b b.The wave-particle dual natureThe wave-particle dual nature of electron.of electron.dede BroglieBroglie dede BroglieBroglie提出，电子、质子、中子、提出，电子、质子、中子、提出，电子、质子、中子、提出，电子、质子、中子、原子、分子、离子等实物粒子都具有波粒原子、分子、离子等实物粒子都具有波粒原子、分子、离子等实物粒子都具有波粒原子、分子、离子等实物粒子都具有波粒二像性，波长服从：二像性，波长服从：二像性，波长服从：二像性，波长服从：=h h/mmv vmm：微粒质量，微粒质量，微粒质量，微粒质量，v v：运动速度，运动速度，运动速度，运动速度，h h：普朗克常数普朗克常数普朗克常数普朗克常数。3 3年之后年之后年之后年之后 (1927(1927年年年年)，C.J.C.J.DavissonDavisson(戴戴戴戴维逊维逊维逊维逊)和和和和L.S.L.S.GermerGermer(革革革革末末末末)的电子衍射实验证实了电子运动的波动性的电子衍射实验证实了电子运动的波动性的电子衍射实验证实了电子运动的波动性的电子衍射实验证实了电子运动的波动性-电子衍射图是电电子衍射图是电电子衍射图是电电子衍射图是电子子子子“波波波波”互相干涉的结果，证实了互相干涉的结果，证实了互相干涉的结果，证实了互相干涉的结果，证实了de Brogliede Broglie的预言。的预言。的预言。的预言。电子衍射实验电子衍射实验(diffraction of electron)晶体晶体晶体晶体(光栅光栅光栅光栅)底版底版底版底版窄缝窄缝窄缝窄缝电子束电子束电子束电子束electron diffraction patternelectron diffraction patternelectron beamelectron beamelectron gunelectron gunmetal papermetal paper能量：粒子性能量：粒子性能量：粒子性能量：粒子性衍射现象：波动性衍射现象：波动性衍射现象：波动性衍射现象：波动性电子的波粒二象性电子的波粒二象性电子的波粒二象性电子的波粒二象性 微观粒子电子的质量：微观粒子电子的质量：微观粒子电子的质量：微观粒子电子的质量：9.19.1 1010-31-31kgkg，运动速度：运动速度：运动速度：运动速度：1 1 10106 6mm.s s-1-1，则其波动的波长为则其波动的波长为则其波动的波长为则其波动的波长为0.720.72nmnm(而电子的直径约为而电子的直径约为而电子的直径约为而电子的直径约为1010-6-6nmnm)。宏观粒子子弹的质量：宏观粒子子弹的质量：宏观粒子子弹的质量：宏观粒子子弹的质量：1.01.0 1010-3-3kgkg，运动速度：运动速度：运动速度：运动速度：1 1 10103 3mm.s s-1-1，则其波动的波长为则其波动的波长为则其波动的波长为则其波动的波长为6.6256.625 1010-25-25nmnm(而而而而子弹的直径约为子弹的直径约为子弹的直径约为子弹的直径约为10106 6nm)nm)。德布罗意的德布罗意的德布罗意的德布罗意的预言将微观粒子的波长预言将微观粒子的波长预言将微观粒子的波长预言将微观粒子的波长、质量质量质量质量mm和运动速度和运动速度和运动速度和运动速度v v之间用普朗常数之间用普朗常数之间用普朗常数之间用普朗常数h h(6.62510(6.62510-34-34J sJ s)联系起来：联系起来：联系起来：联系起来：h h/(mvmv)。计算表明，宏观物体的波长太短，根本无法测量，也无法计算表明，宏观物体的波长太短，根本无法测量，也无法计算表明，宏观物体的波长太短，根本无法测量，也无法计算表明，宏观物体的波长太短，根本无法测量，也无法察觉，因此我们对宏观物体不必考察其波动性，而对高速运动察觉，因此我们对宏观物体不必考察其波动性，而对高速运动察觉，因此我们对宏观物体不必考察其波动性，而对高速运动察觉，因此我们对宏观物体不必考察其波动性，而对高速运动着的质量很小的微观物体，如核外电子，就要考察其波动性。着的质量很小的微观物体，如核外电子，就要考察其波动性。着的质量很小的微观物体，如核外电子，就要考察其波动性。着的质量很小的微观物体，如核外电子，就要考察其波动性。实物颗粒的质量、速度与波长的关系实物颗粒的质量、速度与波长的关系实物颗粒的质量、速度与波长的关系实物颗粒的质量、速度与波长的关系实物实物实物实物质量质量质量质量mm/kgkg速度速度速度速度v v/(/(mm.s s-1-1)波长波长波长波长/pmpm1 1V V电压加速的电子电压加速的电子电压加速的电子电压加速的电子9.19.1 1010-31-315.95.9 10105 512001200100100V V电压加速的电子电压加速的电子电压加速的电子电压加速的电子9.19.1 1010-31-315.95.9 10106 612012010001000V V加速的电子加速的电子加速的电子加速的电子9.19.1 1010-31-311.91.9 10107 737371000010000V V加速的电子加速的电子加速的电子加速的电子9.19.1 1010-31-315.95.9 10107 71212HeHe原子原子原子原子(300(300K K)6.66.6 1010-27-271.41.4 10103 37272XeXe原子原子原子原子(300(300K K)2.32.3 1010-25-252.42.4 10102 21212垒球垒球垒球垒球2.02.0 1010-1-130301.11.1 1010-22-22枪弹枪弹枪弹枪弹1.01.0 1010-2-21.01.0 10103 36.66.6 1010-23-23HeisenbergHeisenberg 牛顿力学研究质点运动时，由牛顿力学研究质点运动时，由牛顿力学研究质点运动时，由牛顿力学研究质点运动时，由F F=mama，可求出可求出可求出可求出加速度加速度加速度加速度a a。由公式：由公式：由公式：由公式：v v1 1=v v0 0+at+at，s=vs=v0 0t+t+1/21/2atat2 2，可以同时测得某一时刻可以同时测得某一时刻可以同时测得某一时刻可以同时测得某一时刻t t 时质点的位置，速度和动量。时质点的位置，速度和动量。时质点的位置，速度和动量。时质点的位置，速度和动量。测不准原理：测不准原理：测不准原理：测不准原理：19271927年德国物理学家年德国物理学家年德国物理学家年德国物理学家海森堡提出了一个重要的定量关系式：海森堡提出了一个重要的定量关系式：海森堡提出了一个重要的定量关系式：海森堡提出了一个重要的定量关系式：x x p p -，对于象电子这样的微观对于象电子这样的微观对于象电子这样的微观对于象电子这样的微观粒子，不可能同时准确地确定它们某一粒子，不可能同时准确地确定它们某一粒子，不可能同时准确地确定它们某一粒子，不可能同时准确地确定它们某一时刻的位置和速度。也就无法描绘出它时刻的位置和速度。也就无法描绘出它时刻的位置和速度。也就无法描绘出它时刻的位置和速度。也就无法描绘出它们的运动轨迹。们的运动轨迹。们的运动轨迹。们的运动轨迹。h2 p=p=p px x/2/2The Heisenbergs uncertainty principleThe Heisenbergs uncertainty principle 例：核外运动的电子，其质量例：核外运动的电子，其质量例：核外运动的电子，其质量例：核外运动的电子，其质量m m=9.11=9.11 1010-31-31kgkg ，位置的位置的位置的位置的测不准量测不准量测不准量测不准量 x x=10=10-12-12mm，求速度的测不准量求速度的测不准量求速度的测不准量求速度的测不准量 v v 。解：解：原子半径一般以原子半径一般以原子半径一般以原子半径一般以 为单位，其数量级为为单位，其数量级为为单位，其数量级为为单位，其数量级为1010-10-10mm。因此，因此，因此，因此，表示原子内部的电子的位置，粗略地看应该有表示原子内部的电子的位置，粗略地看应该有表示原子内部的电子的位置，粗略地看应该有表示原子内部的电子的位置，粗略地看应该有 x x=10=10-12-12mm。这这这这种精确程度并不能令人满意。种精确程度并不能令人满意。种精确程度并不能令人满意。种精确程度并不能令人满意。v v -=-=-=-=1.161.16 108ms-1 2 2 mm x xh6.626 10-342 3.14 9.11 10-31 10-12 速度的测不准量速度的测不准量速度的测不准量速度的测不准量 v v 已经已经已经已经达到了光速的量级，根本无法接达到了光速的量级，根本无法接达到了光速的量级，根本无法接达到了光速的量级，根本无法接受，何况这还是在受，何况这还是在受，何况这还是在受，何况这还是在 x x 并不令人满意的基础上计算出来的。并不令人满意的基础上计算出来的。并不令人满意的基础上计算出来的。并不令人满意的基础上计算出来的。上例说明了的确不能同时测准微观粒子的位置和动量。上例说明了的确不能同时测准微观粒子的位置和动量。上例说明了的确不能同时测准微观粒子的位置和动量。上例说明了的确不能同时测准微观粒子的位置和动量。对于质量较大的宏观物体，测不准原理没有实际意义，对于质量较大的宏观物体，测不准原理没有实际意义，对于质量较大的宏观物体，测不准原理没有实际意义，对于质量较大的宏观物体，测不准原理没有实际意义，例如子弹，例如子弹，例如子弹，例如子弹，mm =10=10g g，看其看其看其看其 x x和和和和 v v的大小。的